La geometría de un tornado

Esta entrada participa en la Edición LIV del Carnaval de la Fisica, cuyo blog anfitrión es El Tao de la Física

Cuando era pequeña recuerdo haber visto mi primer tornado, mi madre toda alterada cerraba puertas y ventanas, mientras yo me escabullía para poder ver ese fenómeno tan impresionante y a la vez mortal de la Naturaleza.

Un tornado es un fenómeno meteorológico ciclónico que se crea por la confluencia de vientos ente 65 a 180 km/h que giran con velocidad angular, y que tienen la forma de un embudo. Su extremo inferior toca el suelo o el agua y el superior con una nube cumulonimbus o con una nube cúmulus. Pueden medir 75 m de diámetro y su movimiento es de translación, Un supertornado puede llegar a girar hasta 450 km/h y con 2 km de diámetro llegando a 100 km de distancia en su recorrido. Se encuentra este fenómeno en todos los continentes, aunque en la Antártida no se ha observado, y los más usuales se encuentran en dos zonas en EE.UU, Callejón de los Tornados y el Pasillo de los Tornados. Hay varias maneras de medir la fuerza de un tornado, pero la más usual es la Escala de Fujita-Pearson, que va de F0 a F5.

Howard Bluestein, un cazador de tormentas y profesor en la Universidad de Oklahoma explica que son más frecuentes los tornados en Tornado Alley (el Callejón de los Tornados) por dos parámetros, el geográfico y el atmosférico, primero es la situación geográfica, entre las Montañas Rocosas al oeste y el Golfo de México al sur. En primavera una fuerte corriente de chorro del oeste entra por el callejón y provoca inestabilidad y se crea una baja presión que aspira el aire cálido del Golfo de México.

Los tornados están formados por dos tipos de movimientos verticales del aire: uno anticiclónico con giro en sentido horario, formado por el aire frío y seco que desciende disminuyendo su radio y por lo tanto, aumentando su velocidad de giro, y otro ascendente, que constituye un área ciclónica, cuyo radio de acción va aumentando en espiral al ir ascendiendo en sentido contrario a las agujas del reloj en el hemisferio norte, y en el sentido de las agujas del reloj en el hemisferio sur. Al contrario de lo que sucede con la especie de embudo anticiclónico descendente, a medida que asciende el aire caliente se va ensanchando, con lo que pierde velocidad y, obviamente, energía. Las superceldas y los tornados giran ciclónicamente en simulaciones numéricas incluso cuando el efecto Coriolis es ignorado. Los tornados y mesociclones de bajo nivel deben su rotación a procesos complejos dentro de la supercelda y el medio ambiente

Su geometría es de carácter fractal, es un sistema dinámico binario atractor-repulsor, con un punto de inflexión que cambia de convergencia a divergencia, según esté una partícula en la trayectoria del atractor, o en la del repulsor.

La primera figura generada por mi con el programa Matlab corresponde a la función phi·sin (phi), y representa un repulsor, un objeto matemático que repele algo, así como una fuente, un géiser, o un modelo de crecimiento de dentro a fuera, como el de una hoja; mientras que la figura de la derecha es un atractor extraño tipo Rosseler, como un pozo o sumidero, algo que atrae.

Presenta los 4 movimientos elementales del plano euclídeo, rotación que implica la conservación del momento angular, traslación, ya que los tornado se desplazan kilómetros de distancia desde su punto origen, simetría, ya que las dos fuerzas de viento que hay en su interior se mueven en sentido horario, el viento anticiclónico que corresponde al modelo de atractor, y en sentido contrario a las agujas del reloj que es el viento ascendente que corresponde al modelo de nuestro repulsor. Y la homotecia, ya que el fractal crece y a veces cambia de forma.

Así que a pesar de parecer caótico los tornados, tienen una estructura bien definida y que se puede representar con un modelo matemático, este es objeto de mi investigación actual.

Pero, ¿cuántos tipos de tornado hay?.

Los tornados que conocemos son de viento pero hay fenómenos muy similares.

Los Remolinos de fuego, tienen una forma parecida a los tornados, aunque siendo el fenómeno de origen diferente, que no tiene nada que ver con una tormenta ciclónica no se les puede considerar verdaderos tornados.

Los remolinos de arena no son exclusivos de nuestro planeta, Júpiter y Marte entre otros también presentan este fenómeno. También se asemejan al tornado.

Los tornados en el agua, se llaman trombas marinas, a veces son trombas terrestres que se adentran en el mar o en el océano, y otras veces se generan por una tormenta encima del agua.

Steam Devil , o remolino de vapor es un fenómeno que normalmente se divisa sobre las fábricas, por el humo de las chimeneas, pero otras veces se puede apreciar el fenómeno sobre lagos. Se necesita una diferencia de temperatura para que se produzca el remolino de vapor, la temperatura del agua del lago debe estar más caliente y un aire frío por encima del lago, al estar el agua más caliente esta se evapora y condensa. El viento se introduce dentro de la columna de vapor y gira, así tenemos la conservación del momento andular.

Foto de Andrew Pritchard, Deep Lake, WI 10-II-2010

Para acabar podemos ver un vídeo del 2012 de una niña, Sanna, que hace un modelo de un tornado, un experimento para su clase de ciencias. Hielo seco y agua caliente son los ingredientes y unos ventiladores ubicados estratégicamente que se mueve por 8 tubos situados en un círculo para que se produzca un vórtice de viento. Quizás esta niña en un futuro sea física especializada en la Termodinámica, cazadora de tornados y descubra los misterios que todavía quedan por resolver.